生物工程与技术导论(第十章 生物分离工程基础)
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产物的提取：除去和产物性质差别较大的杂质 并对产品进行浓缩、萃取、沉淀、吸附和膜分 离等等；
产物纯化：除去与产物性质相近一些杂质，采 用色谱、电泳、结晶等分离手段；
萃取
➢ 利用组分在两个互不相溶的液 相中的溶解度差而将其从一个 液相转移到另一个液相的分离 过程称为液液萃取，也叫溶剂 萃取，简称萃取；
过滤
(a)饼层过滤 图 3-18
(b) 架桥现象 饼层过滤
滤饼过滤：在 介质表面形成 初始层，其孔 隙通道比过滤 介质孔隙更小， 能截留住更小 的颗粒；
深层过滤：固 体粒子被截留 于介质内部的 孔隙中。
过滤
过滤介质：表面过滤介质（滤布、滤网，回收 固相，高浓度）、深层过滤介质（砂滤层、多 孔塑料，回收液相，低浓度）；
➢ 主要用于分离和提取已经存在 于液相中的某种物质，在石油 化工、生化、食品、医药、轻 工等领域被广泛使用；
分液漏斗
有机相 水相
萃取应用
第一级 含青霉素乙酸戊酯
第二级
第三级
青霉素滤液 在三级逆流萃取装置中用乙酸戊酯从澄清的发酵液中分离青霉素
青 霉 废液 素 乙酸戊脂 提 取
➢ 在pH=2 时，以青霉素酸形式存在，溶于有机溶剂中， 在pH=7时，形成青霉素盐，能溶于水中；
膜分离的类型
微滤 超滤 纳滤 反渗透
▲■●◆×
▲■●◆× ▲■●◆×
× ×
悬浮粒子
▲
■
●
◆
×
× ×
▲■●◆
◆
▲ ■ ● ◆◆
▲ ■ ● ◆◆
大分子
▲■●
▲
■
●
● ●
▲ ■ ●●
▲■
■
▲■■
▲ ■■
▲ ▲
▲ 膜的分类与物性
糖 二价盐 游离酸
单价盐 不游离酸
水
超滤（UF）50ｎｍ～100ｎｍ或5000～50万Dalton，分 离体系为均相，分离大分子溶质和溶液；
➢ 适用于固体颗粒很小、液体黏度大，过滤速度 慢；
离心机种类
三
足
实
离
验
心
室机用Fra bibliotek到的
离
卧
心
螺
机
离
心
高速离心机
机
细胞回收及分离系统
单克隆抗体生产，活细胞从顶部流出，死细胞从底部流出
膜过滤
膜分离：是用天然的或合成的、具有选择透性 的薄膜为分离介质，当膜两侧有推动力（如压 力差、浓度差、电位差、温度差等）时，原料 侧液体或气体混合物中的或某些组分选择性地 透过膜，从而达到分离、分级、提纯或富集的 目的。
➢ 双水相萃取：某些亲水性高分子聚合物的水溶 液超过一定浓度后可以形成两相，即形成双水 相系统；
➢ 聚乙二醇（PEG Mr为6000）/磷酸钾系统从大 肠杆菌匀浆中提取β-半乳糖苷酶；
➢ PEG4000/磷酸盐从重组大肠杆菌碎片中提取 人生长激素；
反胶束萃取
➢ 利用表面活性剂在有 机溶剂中自发形成的 纳尺度的一种聚集体， 是透明的、热力学稳 定系统，这种聚集体 称为反胶束；
生物工程技术分类
生物工程技术分为上游和下游技术： ➢ 上游技术：目的基因获得、载体建立、连接、
转入合适的宿主细胞、筛选、克隆表达和优良 生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物 反应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞 培养等）； ➢ 下游技术：目标产物的分离纯化过程；
生物分离的特点：
原料组成复杂：多相体系，很难通过一种分离 手段将产物分离纯化；
生物工程与技术导论
第十章 生物分离工程基础
生物分离工程概述 生物分离的一般过程 生物分离的主要技术介绍
生物分离工程
生物分离过程是生物技术的重要组成部分，在 生物技术研究及其产业中发挥重要作用，也称 为生物下游技术；
分离纯化步骤多、要求严，所占费用占生产成 本50%-70%，而对基因工程药物所占的成本 可达到80%-90%；
膜分离的优点：高效分离、能耗低、分离条件 温和、操作简单、纯物理过程；
膜分离的类型：
➢ 微滤（MF） 0.02-10μm， 压力差更大，不采用真空 过滤；
➢ 分离的体系介于非均相和 均相之间，分离微生物、 细胞碎片，微细沉淀物和 其它微米级粒子如DNA和 病毒；
➢ 微滤应用： 除去水/溶液 中的细菌和其它微粒；
助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固 体颗粒或纤维状物质，将其混入悬浮液或预涂 于过滤介质上，可以改善饼层的性能，使滤液 得以畅流。
白酒降度混浊，硅藻土过滤机
过滤机的种类
板 框 压 滤 机
真空转筒过滤机
离心
时
重
间
力
➢ 通过离心机的运转，产生离心力，使沉降速度 增加，从而使溶液中杂质沉淀并除去的一种方 法；
➢ 三步法：第二步pH= 6.8-7.2转移到水相中，第三步提到 有机相，去结晶工序；
萃取应用
➢中 药 材 有效成 分提取 与分离；
➢有 机 浸 提剂比 较多， 应用最 广泛的 乙醇。
双水相萃取
➢ 传统萃取缺点：在两个液相间进行，大部分萃 取采用一个是水相，另一个是有机相，但有机 相易使蛋白质等生物活性物质变性。
产品容易失活；主要是蛋白质类产品，受温度、 PH、有机溶剂等影响，酶受辅助因子、金属离 子影响
产品浓度低； 产品纯度要求高；
味精生产工艺
生物分离的基本原理：待分离的有效成分与共存杂质之间物 理、化学及生物学性质的差别进行分离；酒精蒸馏利用沸点 差别；
生物分离的一般过程
发酵液预处理：去除或者收集固相物质，采用 过滤和离心进行固液分离；
➢ 酒类饮料中除去乙醇， 优先透有机物膜，降 低啤酒或果酒中的乙 醇含量；
渗析
是溶质分子借扩散作用透 过膜，由浓溶液向稀溶液 方向传递的过程，同时在 反方向上还发生溶剂分子 透过膜的扩散；
➢ 反胶束的表面活性剂 往往具有溶解细胞的 能力，因此可用于直 接从整细胞中提取蛋 白质和酶；
反胶束萃取
反胶 束萃 取的 动力 学原 理
反胶 束萃 取的 应用
过滤
过滤：在外力作用下， 使悬浮液中的液体通过 多孔介质的孔道，而悬 浮液中的固体颗粒被截 留在介质上，从而实现 固、液分离的操作；
①推动力：重力、压力（或压差、真空）和离 心力； ②目的:获得清净的液体产品，或者得到固体产 品；
纳滤（RO） 200～1000Dalton或1nm； 反渗透 200Dalton
膜蒸馏
采用疏水微孔膜 以膜两侧蒸汽压 力差为传质驱动 力的膜分离过程， 可用于水的蒸馏 淡化，对水溶液 去除挥发性物质
渗透蒸发
➢ 蒸馏法难以分离或不 能分离的近沸点、恒 沸点有机混合物溶液； 采用致密（无孔）聚 合物膜。
产物纯化：除去与产物性质相近一些杂质，采 用色谱、电泳、结晶等分离手段；
萃取
➢ 利用组分在两个互不相溶的液 相中的溶解度差而将其从一个 液相转移到另一个液相的分离 过程称为液液萃取，也叫溶剂 萃取，简称萃取；
过滤
(a)饼层过滤 图 3-18
(b) 架桥现象 饼层过滤
滤饼过滤：在 介质表面形成 初始层，其孔 隙通道比过滤 介质孔隙更小， 能截留住更小 的颗粒；
深层过滤：固 体粒子被截留 于介质内部的 孔隙中。
过滤
过滤介质：表面过滤介质（滤布、滤网，回收 固相，高浓度）、深层过滤介质（砂滤层、多 孔塑料，回收液相，低浓度）；
➢ 主要用于分离和提取已经存在 于液相中的某种物质，在石油 化工、生化、食品、医药、轻 工等领域被广泛使用；
分液漏斗
有机相 水相
萃取应用
第一级 含青霉素乙酸戊酯
第二级
第三级
青霉素滤液 在三级逆流萃取装置中用乙酸戊酯从澄清的发酵液中分离青霉素
青 霉 废液 素 乙酸戊脂 提 取
➢ 在pH=2 时，以青霉素酸形式存在，溶于有机溶剂中， 在pH=7时，形成青霉素盐，能溶于水中；
膜分离的类型
微滤 超滤 纳滤 反渗透
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× ×
悬浮粒子
▲
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×
× ×
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大分子
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▲ 膜的分类与物性
糖 二价盐 游离酸
单价盐 不游离酸
水
超滤（UF）50ｎｍ～100ｎｍ或5000～50万Dalton，分 离体系为均相，分离大分子溶质和溶液；
➢ 适用于固体颗粒很小、液体黏度大，过滤速度 慢；
离心机种类
三
足
实
离
验
心
室机用Fra bibliotek到的
离
卧
心
螺
机
离
心
高速离心机
机
细胞回收及分离系统
单克隆抗体生产，活细胞从顶部流出，死细胞从底部流出
膜过滤
膜分离：是用天然的或合成的、具有选择透性 的薄膜为分离介质，当膜两侧有推动力（如压 力差、浓度差、电位差、温度差等）时，原料 侧液体或气体混合物中的或某些组分选择性地 透过膜，从而达到分离、分级、提纯或富集的 目的。
➢ 双水相萃取：某些亲水性高分子聚合物的水溶 液超过一定浓度后可以形成两相，即形成双水 相系统；
➢ 聚乙二醇（PEG Mr为6000）/磷酸钾系统从大 肠杆菌匀浆中提取β-半乳糖苷酶；
➢ PEG4000/磷酸盐从重组大肠杆菌碎片中提取 人生长激素；
反胶束萃取
➢ 利用表面活性剂在有 机溶剂中自发形成的 纳尺度的一种聚集体， 是透明的、热力学稳 定系统，这种聚集体 称为反胶束；
生物工程技术分类
生物工程技术分为上游和下游技术： ➢ 上游技术：目的基因获得、载体建立、连接、
转入合适的宿主细胞、筛选、克隆表达和优良 生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物 反应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞 培养等）； ➢ 下游技术：目标产物的分离纯化过程；
生物分离的特点：
原料组成复杂：多相体系，很难通过一种分离 手段将产物分离纯化；
生物工程与技术导论
第十章 生物分离工程基础
生物分离工程概述 生物分离的一般过程 生物分离的主要技术介绍
生物分离工程
生物分离过程是生物技术的重要组成部分，在 生物技术研究及其产业中发挥重要作用，也称 为生物下游技术；
分离纯化步骤多、要求严，所占费用占生产成 本50%-70%，而对基因工程药物所占的成本 可达到80%-90%；
膜分离的优点：高效分离、能耗低、分离条件 温和、操作简单、纯物理过程；
膜分离的类型：
➢ 微滤（MF） 0.02-10μm， 压力差更大，不采用真空 过滤；
➢ 分离的体系介于非均相和 均相之间，分离微生物、 细胞碎片，微细沉淀物和 其它微米级粒子如DNA和 病毒；
➢ 微滤应用： 除去水/溶液 中的细菌和其它微粒；
助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固 体颗粒或纤维状物质，将其混入悬浮液或预涂 于过滤介质上，可以改善饼层的性能，使滤液 得以畅流。
白酒降度混浊，硅藻土过滤机
过滤机的种类
板 框 压 滤 机
真空转筒过滤机
离心
时
重
间
力
➢ 通过离心机的运转，产生离心力，使沉降速度 增加，从而使溶液中杂质沉淀并除去的一种方 法；
➢ 三步法：第二步pH= 6.8-7.2转移到水相中，第三步提到 有机相，去结晶工序；
萃取应用
➢中 药 材 有效成 分提取 与分离；
➢有 机 浸 提剂比 较多， 应用最 广泛的 乙醇。
双水相萃取
➢ 传统萃取缺点：在两个液相间进行，大部分萃 取采用一个是水相，另一个是有机相，但有机 相易使蛋白质等生物活性物质变性。
产品容易失活；主要是蛋白质类产品，受温度、 PH、有机溶剂等影响，酶受辅助因子、金属离 子影响
产品浓度低； 产品纯度要求高；
味精生产工艺
生物分离的基本原理：待分离的有效成分与共存杂质之间物 理、化学及生物学性质的差别进行分离；酒精蒸馏利用沸点 差别；
生物分离的一般过程
发酵液预处理：去除或者收集固相物质，采用 过滤和离心进行固液分离；
➢ 酒类饮料中除去乙醇， 优先透有机物膜，降 低啤酒或果酒中的乙 醇含量；
渗析
是溶质分子借扩散作用透 过膜，由浓溶液向稀溶液 方向传递的过程，同时在 反方向上还发生溶剂分子 透过膜的扩散；
➢ 反胶束的表面活性剂 往往具有溶解细胞的 能力，因此可用于直 接从整细胞中提取蛋 白质和酶；
反胶束萃取
反胶 束萃 取的 动力 学原 理
反胶 束萃 取的 应用
过滤
过滤：在外力作用下， 使悬浮液中的液体通过 多孔介质的孔道，而悬 浮液中的固体颗粒被截 留在介质上，从而实现 固、液分离的操作；
①推动力：重力、压力（或压差、真空）和离 心力； ②目的:获得清净的液体产品，或者得到固体产 品；
纳滤（RO） 200～1000Dalton或1nm； 反渗透 200Dalton
膜蒸馏
采用疏水微孔膜 以膜两侧蒸汽压 力差为传质驱动 力的膜分离过程， 可用于水的蒸馏 淡化，对水溶液 去除挥发性物质
渗透蒸发
➢ 蒸馏法难以分离或不 能分离的近沸点、恒 沸点有机混合物溶液； 采用致密（无孔）聚 合物膜。